TP850RD 旋挖機鉆桿用無縫鋼管開發與生產

郝劍英，王連發

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

旋挖機作為新興的工程施工機械設備，它的主要用途是為鉆孔灌注樁基礎工程旋挖成孔。旋挖機鉆桿是旋挖機的重要部件，它在作業施工中對鉆頭起到傳遞載荷的作用。旋挖機鉆桿根據設計需求用若干個無縫鋼管經機加工、焊接后套裝而成。

自天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）生產旋挖機鉆桿用無縫鋼管以來，為國內某知名制造商批量生產了TP550RD 鋼級的無縫鋼管。為提高產品機械性能，滿足更加惡劣的作業工況，提高旋挖機鉆桿的使用壽命，制造商提出更高鋼級產品的需求。因此，天津鋼管結合產品指標，在Φ382 mm 孔型開發了TP850RD 鋼級Φ368 mm×12 mm 旋挖機鉆桿用無縫鋼管[1-2]。

1 產品技術要求

天津鋼管針對制造商的產品標準要求，對該產品的化學成分、力學性能、尺寸公差進行了調整，分別見表1、表2、表3。

2 冶煉工藝

煉鋼連鑄坯斷面直徑為Φ350 mm，主要生產工藝流程為：EAF 電弧爐冶煉→LF 鋼包精煉爐冶煉/VD 真空脫氣爐處理→CCM(連續澆注)工藝生產。為了確保軋制產品具有較高的機械性能，在煉鋼時需要嚴格控制鋼水的純凈度、夾雜物等指標。針對此次采用的鋼種煉鋼按照以下工藝控制要點進行生產。

電爐冶煉通過合理調整氧氣和燃料的使用量來增加輔助能量，提高電爐冶煉強度。電爐形成1支爐門BSE 碳氧槍與3 支爐壁固定氧槍、2 支爐壁固定碳槍的“四點”分散吹氧和“三點”噴吹工藝，從而實現吹氧和噴碳沿爐壁周向更加優化，達到均衡熔化、均勻反應和造良好泡沫渣的目的。

精煉爐（LF）過程對鋼水進行精煉處理，主要任務是脫硫、脫氧、脫氣、去夾雜物和調節溫度等，在提高鋼水質量方面起到重要的作用。加熱按操作曲線由低級數至高級數逐級控制升溫，鋼包平均升溫速度為3～4℃/min，采用全過程吹氬攪拌工藝。

表1 TP850RD 旋挖機鉆桿用無縫鋼管的化學成分最大值要求 %

表2 TP850RD 旋挖機鉆桿用無縫鋼管的力學性能要求

表3 TP850RD 旋挖機鉆桿用無縫鋼管的尺寸公差要求

真空處理主要是主控人員通過工藝控制計算機自動控制，在高真空（0.066 kPa 以下）保持10～15 min。在真空處理完成后通過Ca 絲喂絲工藝，促進鋼水中Al2O3形成低熔點的球狀夾雜物鋁酸鈣（12CaO·7Al2O3），避免澆注過程發生堵塞水口問題，同時還可以改善軋制后鋼材的各向異性。并采用氬氣弱攪拌以及適量的吹氬工藝措施促使夾雜物上浮被渣吸收。

3 鋼管軋制工藝

鋼管軋制在460PQF 機組進行軋制，主要軋制設備有錐形穿孔機、5 機架PQF 連軋機、脫管機、12機架定徑機。此次生產規格為Φ368 mm×12 mm 規格，主要軋制工序：圓坯鋸切→環形爐加熱→斜軋穿孔→PQF 連軋→脫管→定徑→冷床。

根據產品規格和各變形工序的軋制變形，確定各軋制變形工序軋件規格尺寸，具體情況見表4。

3.1 穿孔機頂頭設計和工藝參數

表4 各軋制變形工序軋件規格尺寸情況見表 /mm

460PQF 無縫鋼管連軋機組的穿孔機采用配置導板的錐形穿孔機設備。根據現有工具規格進行核算，需要增加新的穿孔頂頭以軋制壁厚更薄的Ф428 mm×27 mm 毛管。

在設計穿孔頂頭時，需要綜合考慮管坯、毛管尺寸和穿孔軋制工藝參數等因素。頂頭外形輪廓根據其各段軋制時起到的作用，分為穿孔錐、輾軋段、反錐段三部分。頂頭穿孔錐主要作用使實心圓坯經過軋制變成空心的圓管，并隨著軋件螺旋前進減薄圓管的壁厚；它采用圓弧段設計且長度較長，主要是為了緩和穿孔軋件沿軋制方向的減壁過程，減少軋制時頂頭對軋件的阻力，以達到降低頂頭穿孔錐磨損目的。頂頭輾軋錐的主要作用是均整毛管壁厚，使毛管壁厚更加均勻；理論上它的長度要大于一個毛管螺距，確保軋件任意截面的金屬都能保證在頂頭輾軋段區域軋制兩次，以實現毛管的均壁和平整作用；在實際設計時輾軋錐角一般略大于軋輥出口錐角0.3～0.6°左右[3]。

根據穿孔機頂頭設計原理并結合現場生產需求，設計了342 mm 頂頭。頂頭形狀如圖1 所示。

圖1 頂頭示意圖

已知：管坯直徑DB=350 mm，毛管外徑DH=428 mm，毛管壁厚SH=27mm，穿孔輥入口一段錐角α1=2.5°，入口二段錐角α2=3.9°，入口二段咬入錐L2=165 mm，出口錐角β=4.6°，咬入角γ=10°。

根據穿孔機工藝生產經驗，軋輥壓下率取13%，則軋輥間距E=304.5 mm，同時取頂頭擴徑量CHCTP=32 mm。

頂頭直徑DD 為：

由公式（1）可知DD=342 mm。

頂頭碾軋錐系數SF 取1.7。

輾軋錐長度LGT2為：

由公式（2）可知LGT2≈201.1 mm，取整為201 mm。

頂頭輾軋錐角度δ 取5.0°。

輾軋錐直徑DR 為：由公式（3）可知DR≈307 mm。

軋件在穿孔入口接觸長度Le 為：

由公式（4）可知軋件在穿孔入口接觸長度Le≈427 mm。

為確保管坯在穿孔的二次咬入階段軋制穩定，避免造成軋卡，取一次咬入到二次咬入之間管坯的旋轉系數GF 為1.6。

則管坯一次咬入點到頂頭鼻部距離GL 為：

由公式（5）可知GL≈309.47 mm，取整為309 mm。

頂頭前伸量LD1為：

由公式（6）可知LD1=118 mm。

出口接觸長度LD2為：

由公式（7）可知LD2≈525.86 mm，取整為526 mm。

頂頭長度LD 為：

由公式（8）可知LD=644 mm。

穿孔錐圓弧半徑RD 為：

式中：F:頂頭鼻部直徑，根據經驗取值50 mm。

由公式（9）可知RD=1 189.3 mm。

根據以上頂頭設計計算數據，重新加工制作Ф342 mm 規格的頂頭。頂頭主要尺寸和穿孔機主要工藝參數如表5 所示。

表5 Φ342 頂頭主要尺寸及穿孔機主要工藝參數

3.2 連軋機工藝參數

此次軋制Ф368 mm×12 mm 旋挖機用鋼管的屈服強度要求Rp0.2≥835 MPa，在采用的鋼種添加了Cr、Mo 等合金，金屬變形抗力高，在軋制時荒管內表面容易出現拉凹缺陷。通過連軋機組數學模型計算出連軋設定參數，在此基礎上根據類似鋼種的生產經驗對連軋軋輥輥縫進行了修正，避免連軋機軋制時出現拉凹缺陷，各機架主要設定參數設定值和修正值見表6 所示。另外，對連軋和脫管機之間的傳輸輥道高度精細調整，既要保證連軋荒管中心與連軋機和脫管機中心保持良好狀況，減輕軋機中心線不正導致的頭部彎曲，還要避免軋制時輥道對連軋荒管造成的碰癟。

3.3 定徑機工藝參數

定徑是鋼管變形的最后一道軋制工序，其定徑機架孔型加工參數的設計決定了成品鋼管外徑尺寸大小和精度。因此，為滿足成品鋼管外徑尺寸要求，需要根據定徑前荒管和成品鋼管的外徑來設計定徑機架使用機架數量以及各機架的孔型加工參數。不同規格的鋼管在經過相同的定徑孔型參數軋制時，由于鋼管壁厚不同，其通過定徑后的終軋溫度不同，因而導致鋼管在冷卻至室溫后外徑尺寸存在差異；不同的鋼種，由于其熱膨脹系數不同，高溫條件下相同溫度的鋼管冷卻到室溫后外徑也存在差異[4-6]。此次生產成品鋼管規格為Ф368 mm×12 mm，根據生產經驗定徑后鋼管的熱縮系數取值為1.0116，那么計算定徑出口熱態鋼管外徑平均值約為372.3 mm。根據定徑孔型加工參數設計原理計算出各機架的加工參數，各機架孔型加工參數和定徑機電機轉速見表7。

表6 連軋機組軋機主要工藝參數

表7 Ф368 mm×12 mm 規格定徑機各機架孔型加工參數和定徑機電機轉速

4 試生產軋制

TP850RD 鋼級Ф368 mm×12 mm 旋挖機鉆桿用無縫鋼管經過軋制機組工藝設計后，進行了小批量的軋制生產，軋制取得了成功，在熱處理后機械性能達到了產品標準要求。鋼管截面壁厚取樣數據見表8。

表8 Ф368 mm×12 mm 旋挖機鉆桿用無縫鋼管橫截面壁厚測量數據 /mm

5 結論

為滿足制造商對旋挖機鉆桿機械性能、使用壽命提出的更高要求，天津鋼管在原TP550RD 鋼級無縫鋼管的基礎上，結合用戶新的產品指標，在Ф382 mm 孔型開發了TP850RD 鋼級Φ368 mm×12 mm 旋挖機鉆桿用無縫鋼管。通過調整鋼種冶煉成分和工藝，優化穿孔和軋制工藝，最終生產出滿足制造商需求的合格的產品。

（1）Ф382 mm 孔型生產Ф368 mm×12 mm 旋挖機鉆桿用無縫鋼管軋制工藝設計合理，生產的鋼管產品尺寸滿足產品標準要求，具備批量軋制生產的能力。

（2）TP850RD 鋼級Φ368 mm×12 mm 旋挖機鉆桿用無縫鋼管成功生產開發，不僅進一步擴大了460 PQF 連軋管機組旋挖機鉆桿用無縫鋼管的產品規格，而且對高鋼級無縫鋼管在旋挖機機械設備中的廣泛應用具有推廣意義。